CPU 구조
CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느립니다. ALU가 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 당연하게도 CPU는 메모리에 자주 접근하게 되고, 이는 CPU가 프로그램을 실행하는 속도를 늦출 수 있습니다. 그래서 ALU의 결괏값을 메모리가 아닌 레지스터에 우선 저장하는 것입니다.
ALU
ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다. ALU는 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술연산, 논리 연산등 다양한 연산을 수행한다.
ALU는 계산 결과와 더불어 플래그를 내보낸다. 이진수만 봐서는 음수 인지 양수인지 판단하기 어려울 때 음수와 양수를 구분하기 위해 플래그를 사용한다. 이처럼 때때로 ALU는 결괏값뿐만 아니라 연산 결과에 대한 추가적인 정보를 내보내야 할 때가 있다. 가령 연산 결과가 음수일 때, ALU는 '방금 계산한 결과는 음수'라는 추가적인 정보를 내보낸다. 혹은 연산 결과를 담을 레지스터보다 클 때 ALU는 '결괏값이 너무 크다'라는 추가적인 정보를 내보낸다.
연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 큰 상황을 오버플로우(overflow)라고 합니다.
이러한 연산 결과에 대해 추가적인 상태 정보를 플래그(flag)라고 합니다. ALU가 내보내는 대표적인 플래그는 아래와 같다.
| 플래그 종류 | 의미 | 사용 예시 |
|---|---|---|
| 부호 플래그 | 연산의 결과의 부호를 나타낸다. | 부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수를 의미한다. |
| 제로 플래그 | 연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다. | 제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산 결과는 0이 아님을 의미한다. |
| 캐리 플래그 | 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다. | 캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다. |
| 오버플로우 플래그 | 오버플로우가 발생했는지를 나타낸다. | 오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다. |
| 인터럽트 플래그 | 인터럽트가 가능한지를 나타낸다. | 인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다. |
| 슈퍼바이저 플래그 | 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행중인지 나타낸다. | 슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다. |
이러한 플래그는 CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야 하는 일종의 참고 정보이다. 그리고 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다. 플래그 레지스터는 이름 그대로 플래그 값들을 저장하는 레지스터이다.
제어장치
제어장치는 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품이다. 그리고 제어 신호는 컴퓨터 부품을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다.
제어 장치는 클럭이라는 신호를 받아들인다. 클럭(clock)이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수
있게하는 시간 단위이다. 클럭의 '똑-딱-똑-딱' 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가
이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어들인다.
다만, '컴퓨터의 모든 부품이 클럭 신호에 맞춰 작동한다'라는 말을 '컴퓨터의 모든 부품이 한 클럭마다 작동한다' 라고 이해하면 안된다. 컴퓨터 부품들은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동할 뿐 한 박자마다 작동하는 건 아니다.
제어 장치는 해석해야 할 명령어를 받아들인다. CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장된다. 제어 장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.
제어 장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다. 플래그는 ALU 연산에 대한 추가적인 상태 정보이다. 제어장치가 제어 신호를 통해 컴퓨터 부품들을 제어할 때 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.
제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력 장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다. 제어 장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.
제어 장치는 CPU외부와 내부로 제어 신호를 내보낸다. 제어장치가 CPU 외부에 제어 신호를 전달한다는 말은 곧, 제어 버스로 제어 신호를 내보낸다는 말과 같다. 이러한 제어 신호에는 크게 메모리에 전달하는 제어 신호와 입출력장치(보조기억장치 포함)에 전달하는 제어 신호가 있다.
제어 장치가 CPU 내부에 전달하는 제어 신호에는 크게 ALU에 전달하는 제어 신호와 레지스터에 전달하는 제어 신호가 있다. ALU에는 수행할 연산을 지시하기 위해, 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보낸다.
레지스터
프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장된다. 따라서 레지스터에 저장된 값만 잘 관찰해도 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다. 다시 말해 레지스터 속 값을 유심히 관찰하면 프로그램을 실행할 때 CPU 내에서 무슨 일이 벌어지고 있는지, 어떤 명령어가 수행되는지 알 수 있다.
CPU 내부에는 다양한 레지스터들이 있고, 각기 다른 역할을 가지고 있다.
프로그램 카운터(PC: Program Counter)
프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다. 프로그램 카운터를 명령어 포인터(Instruction Pointer)라고 부르는 CPU도 있다.
명령어 레지스터(IR: Instruction Register)
명령어 레지스터는 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터이다. 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다.
메모리 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register)
메모리 주소 레지스터는 메모리 주소를 저장하는 레지스터이다. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거친다.
메모리 버퍼 레지스터(MBR: Memory Buffer Register)
메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터이다. 즉, 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다. CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
메모리 버퍼 레지스터는 메모리 데이터 레지스터(MDR: Memory Data Register)라고도 부른다.
범용 레지스터(General Purpose Register)
범용 레지스터(general purpose register)는 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터이다. 메모리 버퍼 레지스터는 데이터 버스로 주고받을 값만 저장하고, 메모리 주소 레지스터는 주소 버스로 내보낼 주소값만 저장하지만, 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다. 일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있고, 현대 대다수 CPU는 범용 레지스터를 가지고 있다.
플래그 레지스터(Flag Register)
플래그 레지스터는 ALU 연산 결과에 따른 플래그를 플래그 레지스터에 저장한다. 플래그 레지스터는 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 장치이다.
Reference
- 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 & 운영체제